1. Introducere în convertizoare de curent alternativ (variatoare de frecvență variabilă) În domeniul controlului industrial modern și......
CITEȘTE MAI MULTUn demaror soft de joasă tensiune este un dispozitiv electronic de control al motorului care crește treptat tensiunea furnizată unui motor cu inducție de curent alternativ în timpul pornirii - în loc să aplice instantaneu tensiunea de linie completă, așa cum o face un demaror convențional direct-on-line (DOL). Prin controlul ratei cu care tensiunea crește de la zero la tensiunea de alimentare completă, demarorul progresiv limitează curentul de pornire și șocul mecanic care apar în timpul pornirii motorului, protejând atât motorul, cât și sarcina mecanică conectată de solicitările asociate cu alimentarea bruscă la tensiune maximă.
Când un motor cu inducție standard este pornit pe linie fără niciun dispozitiv de limitare a curentului, acesta consumă un curent de pornire de 6 până la 8 ori curentul nominal la sarcină maximă timp de câteva secunde până când atinge viteza de funcționare. La motoarele mari, acest vârf poate fi de 10 ori curentul la sarcină completă sau mai mult. Această supratensiune stresează înfășurările motorului prin încălzire rezistivă, creează un șoc intens de cuplu pe cuplajele arborelui, cutiile de viteze, curelele și echipamentele antrenate și provoacă scăderi de tensiune pe rețeaua de alimentare care pot afecta alte sarcini conectate și echipamente sensibile care împart aceeași infrastructură electrică.
A soft starter de joasă tensiune abordează toate aceste probleme într-un singur dispozitiv compact. Folosind un set de tiristoare back-to-back (redresoare controlate de siliciu, sau SCR) conectate în fiecare fază, crește progresiv unghiul de aprindere al tiristoarelor în timpul secvenței de pornire, ceea ce crește tensiunea RMS furnizată motorului într-o rampă controlată. Rezultatul este o accelerare lină, reglabilă, care limitează curentul de pornire la un multiplu selectabil al curentului de sarcină completă, reduce șocurile mecanice la aproape zero și elimină perturbațiile de tensiune din rețeaua de alimentare - prelungind durata de viață a motorului, protejând echipamentul acționat și reducând simultan sarcinile de cerere de energie electrică.
Principiul de bază de funcționare al unui soft starter AC se bazează pe controlul unghiului de fază al tiristoarelor pentru a regla forma de undă a tensiunii furnizate motorului. Într-un soft starter trifazat standard, trei perechi de tiristoare spate în spate sunt conectate în serie cu fiecare dintre cele trei faze de alimentare. Fiecare pereche de tiristoare controlează o jumătate de ciclu al formei de undă AC în faza respectivă - un tiristor conduce semiciclul pozitiv, iar celălalt conduce semiciclul negativ.
În timpul rampei de pornire, electronica de control a demarorului soft pornește tiristoarele progresiv mai devreme în fiecare jumătate de ciclu - un parametru numit unghi de aprindere sau unghi de conducere. La începutul rampei, unghiul de aprindere este mare (tiristoarele se declanșează târziu în ciclu), ceea ce înseamnă că doar o mică parte din fiecare jumătate de ciclu este condusă și tensiunea efectivă RMS care ajunge la motor este scăzută. Pe măsură ce rampa avansează, unghiul de aprindere scade (tiristoarele se declanșează progresiv mai devreme), conducând mai mult din fiecare semiciclu și crescând tensiunea efectivă furnizată motorului. La sfârșitul rampei de pornire, tiristoarele sunt aprinse în cel mai devreme punct posibil în fiecare jumătate de ciclu, furnizând tensiune de alimentare aproape completă motorului.
Odată ce motorul a atins turația maximă, majoritatea softstarterelor moderne de joasă tensiune închid un contactor de bypass intern sau extern care conectează motorul direct la linia de alimentare, ocolind în întregime tiristoarele. Aceasta este o caracteristică importantă, deoarece tiristoarele generează căldură în timpul conducției - funcționarea continuă a motorului prin tiristoare, mai degrabă decât ocolirea acestora, ar necesita o absorbție semnificativă a căldurii și ar reduce durata de viață a demarorului soft. Contactorul de bypass elimină această problemă, permițând demarorului soft să se ocupe doar de secvențele de pornire și oprire în timp ce motorul funcționează cu eficiență maximă pe alimentare directă pe linie în timpul funcționării în regim de echilibru.
Una dintre cele mai frecvente întrebări în ingineria controlului motoarelor este când să utilizați un demaror progresiv versus un demaror direct în linie față de un variator de frecvență. Fiecare dispozitiv are un set distinct de capabilități și limitări, iar selectarea unuia greșit pentru o aplicație duce fie la suprainginerire și costuri inutile, fie la probleme de specificații și operaționale insuficiente.
Un demaror DOL conectează motorul direct la tensiunea de alimentare atunci când este alimentat, fără limitare de curent. Este cea mai simplă, mai ieftină și mai fiabilă metodă de pornire a motorului - dar și cea mai perturbatoare. Pornirea DOL este potrivită pentru motoare mici (de obicei sub 5–7,5 kW, în funcție de capacitatea de alimentare), aplicații în care sarcina conectată poate tolera șocul complet la pornire și sistemele în care sursa electrică este suficient de robustă pentru a absorbi curentul de pornire fără o scădere semnificativă a tensiunii. Pentru motoare mai mari sau aplicații sensibile, pornirea DOL nu este, în general, acceptabilă nici din punct de vedere al rețelei de alimentare, nici din punct de vedere al durabilității mecanice.
Un soft starter de joasă tensiune este alegerea potrivită atunci când cerința principală este limitarea curentului de pornire și șocurile mecanice în timpul pornirii și opririi motorului, dar controlul variabil al vitezei în timpul funcționării normale nu este necesar. Este semnificativ mai puțin costisitor decât un VFD de rating echivalent, generează mai puțină căldură, are un impact mai mic de distorsiune armonică asupra rețelei de alimentare în timpul funcționării în regim staționar (deoarece contactorul de bypass este închis) și este mai simplu de configurat și pus în funcțiune. Demaroarele soft sunt ideale pentru pompe, compresoare, ventilatoare, transportoare și orice aplicație în care motorul funcționează la o viteză fixă, dar necesită porniri și opriri controlate.
Un variator de frecvență asigură controlul complet al vitezei în întreaga gamă de funcționare a motorului - de la zero până la viteza de bază mai mare - prin conversia sursei de alimentare AC de intrare în DC și apoi sintetizând o ieșire AC cu frecvență variabilă și tensiune variabilă. VFD-urile oferă în mod inerent o pornire lină (adesea mai bună decât un demaror ușor) și, de asemenea, permit reglarea continuă a vitezei în timpul funcționării, ceea ce permite economii majore de energie la sarcinile cu cuplu variabil, cum ar fi pompele și ventilatoarele, prin legile de afinitate. Cu toate acestea, VFD-urile sunt mai scumpe, generează distorsiuni armonice semnificative pe rețeaua de alimentare, produc mai multă căldură și sunt mai complexe de dimensionat, instalat și întreținut. Alegerea între un soft starter și un VFD se reduce la dacă este necesar controlul variabil al vitezei în timpul funcționării - dacă este, este necesar un VFD; dacă nu este, un soft starter este soluția mai rentabilă și mai simplă.
| Caracteristică | DOL Starter | Starter soft de joasă tensiune | VFD |
| Limitarea curentului de pornire | Niciuna | Da (reglabil) | Da (excelent) |
| Viteză variabilă în timpul alergării | Nu | Nu | Da (gamă completă) |
| Soc mecanic la pornire | Înalt | Scăzut | Foarte Scăzut |
| Distorsiune armonică (Rulare) | Niciuna | Niciuna (bypass closed) | Semnificativ |
| Cost relativ | Scăzut | Mediu | Înalt |
| Economie de energie în timpul rulării | Niciuna | Minimal | Semnificativ (variable loads) |
| Complexitatea instalării | Simplu | Moderat | Complex |
Selectarea corectă a unui soft starter de joasă tensiune necesită evaluarea unui set de parametri tehnici în raport cu cerințele specifice ale motorului și ale aplicației. Subdimensionarea duce la suprasolicitarea termică a tiristoarelor în timpul secvențelor de pornire; supradimensionarea risipește capitalul și spațiul de cabinet. Lucrând cu următoarele criterii, vă asigură în mod sistematic că specificați un dispozitiv care funcționează fiabil pe toată durata de viață.
Parametrul de dimensionare de bază pentru orice demaror progresiv este curentul de sarcină completă (FLC) al motorului pe care îl va controla, exprimat în amperi. Softstarterele sunt evaluate în funcție de capacitatea lor maximă de purtare continuă a curentului, iar dispozitivul selectat trebuie să aibă un curent nominal egal sau mai mare decât FLC-ul motorului. Tensiunea nominală a softstarterului trebuie să se potrivească, de asemenea, cu tensiunea de alimentare a motorului - majoritatea demaroarelor soft de joasă tensiune sunt evaluate pentru tensiuni de alimentare în intervalul 200–690 V AC, 50/60 Hz, acoperind nivelurile standard de distribuție de joasă tensiune utilizate la nivel global.
Nu toate aplicațiile de pornire impun aceeași sarcină termică asupra tiristoarelor unui soft starter. O pompă care pornește o dată pe oră impune o sarcină termică foarte diferită decât un transportor care pornește și se oprește la fiecare câteva minute sau un ferăstrău care pornește sub sarcină mare de mai multe ori pe oră. Demaroarele soft sunt clasificate în funcție de sarcina lor de pornire - de obicei exprimată ca număr maxim de porniri pe oră, un multiplicator maxim al curentului de pornire și o durată maximă de pornire în secunde. Aplicațiile cu porniri frecvente, cerințe mari de curent de pornire sau timpi lungi de accelerare necesită un demaror ușor cu o clasă de funcționare mai mare. Selectarea unui dispozitiv bazat exclusiv pe motor FLC fără a lua în considerare funcția de pornire este o cauză comună a defectării premature a tiristorului în aplicațiile cu ciclu înalt.
Caracteristica cuplului sarcinii conectate influențează în mod semnificativ modul în care trebuie configurat soft starterul și dacă un soft starter standard este adecvat. Pompele centrifuge și ventilatoarele sunt sarcini cu inerție redusă, cu cuplu de pornire scăzut, care sunt ideale pentru demaroarele soft - accelerează ușor sub tensiune redusă, iar cuplul de sarcină crește treptat pe măsură ce viteza crește. Sarcinile cu inerție mare, cum ar fi volantele mari, morile cu bile sau transportoarele puternic încărcate necesită un cuplu de pornire ridicat, pe care un demaror soft standard nu îl poate furniza - deoarece reducerea tensiunii reduce cuplul în mod pătratic, un motor care pornește sub tensiune redusă se poate bloca dacă cuplul de sarcină este suficient de mare. Pentru aplicațiile cu cuplu de pornire ridicat, este necesar un demaror ușor cu o funcție de creștere a curentului sau de control al cuplului sau, alternativ, un VFD.
Demaroarele moderne de joasă tensiune încorporează o gamă de funcții de protecție încorporate care depășesc simpla pornire a motorului. Disponibilitatea și sofisticarea acestor funcții variază semnificativ între modelele economice de bază și unitățile cu funcții complete. Când selectați un soft starter pentru o aplicație critică, evaluați cu atenție funcțiile de protecție încorporate în raport cu cerințele de protecție a motorului și a aplicației.
Instalarea corectă este la fel de importantă ca și selecția corectă pentru o funcționare fiabilă a demarorului. Majoritatea defecțiunilor din câmpul soft starterului din primul an de serviciu sunt atribuite erorilor de instalare, mai degrabă decât defectelor dispozitivului - cablarea incorectă, ventilația inadecvată, setările incorecte ale parametrilor și lipsa dispozitivelor de protecție reprezintă majoritatea covârșitoare a problemelor timpurii.
Cea mai obișnuită configurație de cablare a softstarterului conectează dispozitivul în linie între contactorul de alimentare și bornele motorului - cele trei faze de alimentare trec prin bornele de putere ale softstarterului (de obicei etichetate 1/L1, 3/L2, 5/L3 pe partea de intrare și 2/T1, 4/T2, 6/T3 pe partea de ieșire) și apoi direct la motor. Un contactor de izolare în amonte de soft starter deconectează dispozitivul de la alimentare în timpul întreținerii și asigură coordonarea protecției la scurtcircuit. Un contactor de bypass este fie încorporat în soft starter, fie instalat extern în paralel cu bornele de putere - odată ce motorul atinge viteza maximă, bypass-ul se închide și motorul funcționează direct în linie, în timp ce tiristoarele softstarterului sunt scoase din circuit.
Pentru motoarele mari deja conectate în configurație delta, un aranjament de cablare în triunghi în interior (sau în triunghi intern) conectează demarorul progresiv în bucla în triunghi, mai degrabă decât în liniile principale de alimentare. Această configurație reduce curentul pe care trebuie să-l suporte soft starter-ul cu un factor de 1/√3 (aproximativ 58%) în comparație cu cablajul în linie - permițând unui soft starter mai mic și mai puțin costisitor să controleze un anumit motor. Cu toate acestea, cablajul interior-delta necesită o atenție deosebită fazării și este mai complex de conectat și pus în funcțiune corect. Este utilizat în mod obișnuit pentru motoarele mari de peste 200 kW, unde economia de costuri din utilizarea unui demaror progresiv mai mic justifică complexitatea suplimentară a cablajului.
Demaroarele de joasă tensiune generează căldură în tiristoarele lor în timpul fiecărei secvențe de pornire, iar această căldură trebuie disipată pentru a menține dispozitivul în intervalul său de temperatură de funcționare. Respectați întotdeauna cerințele de spațiu minim ale producătorului de deasupra, dedesubt și de pe părțile laterale ale demarorului progresiv pentru o convecție naturală adecvată sau răcire forțată cu aer. În panourile de control închise, calculați disiparea totală a căldurii de la toate dispozitivele instalate și verificați dacă capacitatea de ventilație sau de aer condiționat a panoului este adecvată pentru a menține temperatura internă în limita temperaturii ambientale a demarorului soft - de obicei 40°C până la 50°C maxim. Depășirea capacității termice în timpul secvențelor de pornire este cauza principală a degradării tiristoarelor și a defecțiunii premature.
Tiristoarele sunt dispozitive extrem de rapide care pot fi distruse în milisecunde de curenții de scurtcircuit - mult mai rapid decât poate întrerupe un întrerupător standard. Demaroarele progresive trebuie protejate de dispozitive de protecție la scurtcircuit coordonate corect – fie întreruptoare de circuit de protecție a motorului (MPCB) fie siguranțe – clasificate și selectate în conformitate cu tabelul de coordonare al producătorului demaroarelor soft. Utilizarea unui dispozitiv de protecție selectat incorect este una dintre cele mai frecvente erori de instalare și poate duce la distrugerea softstarter-ului într-un eveniment de eroare în aval de care l-ar fi protejat un dispozitiv specificat corect. Consultați întotdeauna datele de coordonare ale producătorului, nu regulile generice de dimensionare a întrerupătorului, atunci când selectați protecția în amonte.
După instalarea fizică, demarorul progresiv trebuie configurat cu setările corecte ale parametrilor pentru motorul și sarcina specifică înainte de prima punere sub tensiune. Majoritatea demaroarelor soft de joasă tensiune oferă un set de parametri reglabili printr-o tastatură și un afișaj de pe panoul frontal sau printr-un software de interfață de comunicare. Cei mai critici parametri care trebuie configurați corect la punerea în funcțiune sunt setările rampei de pornire și pragul de protecție la suprasarcină a motorului.
Tensiunea inițială (numită și tensiune de pornire sau tensiune pe piedestal) stabilește nivelul de tensiune la care începe rampa de pornire. Setarea prea scăzută înseamnă că motorul produce inițial un cuplu insuficient pentru a începe să accelereze sarcina, determinând blocarea motorului la începutul rampei. Setarea prea mare reduce beneficiul pornirii ușoare prin începerea rampei aproape de tensiunea maximă. Pentru majoritatea aplicațiilor cu pompe centrifuge, o tensiune inițială de 30–40% din tensiunea de alimentare este un punct de plecare practic, ajustat pe baza comportamentului real de accelerație observat în timpul punerii în funcțiune.
Timpul de rampă (numit și timp de accelerație) definește cât durează rampa de tensiune de la tensiunea inițială la tensiunea maximă. Timpii de rampă mai lungi produc o accelerație mai blândă și un curent de pornire de vârf mai mic, dar înseamnă, de asemenea, că motorul petrece mai mult timp la tensiune redusă - crescând încălzirea în înfășurările motorului. Timpii tipici de rampă variază de la 3 la 30 de secunde, în funcție de inerția sarcinii și de nivelul acceptabil al curentului de pornire. Setarea curentului de suprasarcină trebuie setată la 100–105% din curentul la sarcină maximă de pe plăcuța de identificare a motorului pentru a asigura o protecție precisă la suprasarcină fără declanșări neplăcute în timpul variațiilor de funcționare normală.
Cea mai mare atenție în selecția și punerea în funcțiune a demarorului progresiv se concentrează pe secvența de pornire, dar funcția de oprire progresivă - decelerație controlată la oprire - este la fel de valoroasă în multe aplicații și este adesea trecută cu vederea sau lăsată dezactivată. Atunci când o pompă sau un motor de ventilator este oprit brusc, pierderea bruscă a debitului poate provoca ciocănirea în sistemele de pompare (unda de șoc hidraulic creată atunci când impulsul fluidului este oprit brusc), creșterea presiunii în sistemele de conducte și solicitarea mecanică asupra cuplajelor și echipamentelor antrenate, deoarece inerția este disipată rapid.
Funcția de oprire ușoară a unui demaror ușor reduce progresiv tensiunea la motor pe un timp de rampă de decelerare reglabil - de obicei 1 până la 20 de secunde - permițând motorului și sarcinii să decelereze treptat, mai degrabă decât să se oprească liber. În aplicațiile cu pompe cu conducte de refulare lungi, activarea opririi soft cu un timp de decelerare de 5-10 secunde elimină practic lovitura de ariete, protejând conductele, supapele și fitingurile de deteriorarea șocurilor hidraulice. În aplicațiile cu transportoare, oprirea moale previne vărsarea produsului de la smucitura bruscă a opririi bruște. Activarea și configurarea corectă a opririi soft este una dintre cele mai ușoare modalități de a extrage valoare suplimentară dintr-un demaror progresiv deja instalat și este recomandată pentru orice aplicație în care oprirea bruscă creează probleme mecanice sau hidraulice.
Softstarterele sunt dispozitive electronice robuste care rareori se defectează atunci când sunt specificate, instalate și întreținute corect - dar atunci când apar probleme, ele tind să se încadreze în modele identificabile cu cauze clare. O abordare structurată de depanare folosind codurile de eroare afișate pe panoul demarorului soft, combinată cu cunoașterea celor mai comune moduri de defecțiune, rezolvă majoritatea problemelor de teren fără a necesita înlocuirea componentelor.
Demaroarele soft de joasă tensiune necesită întreținere relativ mică în comparație cu echipamentele mecanice de pornire a motorului - nu există contacte de înlocuit, nu există părți mobile în circuitul de alimentare și nu există cerințe de lubrifiere. Cu toate acestea, o rutină de întreținere periodică modestă prelungește semnificativ durata de viață și previne majoritatea defecțiunilor evitabile.
Cea mai importantă sarcină de întreținere de rutină este curățarea. Mediile panoului de control acumulează praf și contaminare conductivă de-a lungul timpului, iar un strat de praf pe aripioarele radiatorului soft starterului reduce drastic disiparea căldurii convective - aceeași problemă de protecție termică care provoacă degradarea tiristorului la pornire grea. La fiecare 6-12 luni (sau mai frecvent în medii industriale cu praf), opriți demarorul soft și utilizați aer uscat comprimat pentru a elimina praful din radiator, fantele de ventilație și plăcile de circuite. Inspectați toate conexiunile terminalelor de alimentare și strângeți din nou la valorile specificate, deoarece ciclul termic de la porniri repetate face ca conexiunile să se slăbească în timp.
Examinați jurnalul de evenimente al demarorului soft sau istoricul defecțiunilor la fiecare vizită de întreținere dacă dispozitivul are capacitatea de înregistrare. Un jurnal care arată un număr tot mai mare de avertismente termice, evenimente de dezechilibru de fază sau abordări de suprasarcină înainte de o deplasare completă oferă avertismente în avans cu privire la dezvoltarea problemelor - la motor, rețeaua de alimentare sau sistemul mecanic - înainte ca acestea să provoace o oprire neplanificată a producției. Utilizarea în mod proactiv a datelor de diagnostic disponibile de la demaroarele moderne este una dintre cele mai eficiente strategii de întreținere disponibile pentru echipele de operațiuni și întreținere care lucrează cu echipamente cu motor.